浅析激光熔覆材料的研究现状及发展

来源:热处理工艺问答作者:袁凤松

  OFweek激光网讯:随着现代工业的飞速发展,对材料的要求越来越高,材料表面改性技术是兼容材料基体性能与材料表面性能的重要手段,已被科学工作者广泛地研究和应用。激光熔覆技术起源于20 世纪70 年代,Gnanamuthu 提出采用激光在金属基体表面熔覆一层金属的方法专利之后, 激光熔覆技术成为表面工程领域的前沿性课题。

  激光熔覆技术以高能激光束为热源照射基体合金表面,使待熔粉末熔化、扩展并快速凝固,在基体合金表面形成一种冶金结合的表面涂层, 可用于提高材料表面的强度、硬度,改善表面耐磨性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能等。与热喷涂等技术相比,激光熔覆技术冷速高达106℃/s, 熔覆过程热输入小、基体热变形小,熔覆层稀释率低(一般小于8%)、性能可靠,并且熔覆层材料种类多,熔覆过程可实现自动化。影响激光熔覆层性能的因素复杂,而激光熔覆材料是主要因素之一, 直接决定了熔覆层的使用性能,因此一直受到研究人员的重视。本文对激光熔覆常用材料体系的研究进展进行了介绍和综述, 并讨论了激光熔覆材料的设计原则, 为激光熔覆技术的深入研究和应用提供了参考。

  1、激光熔覆材料研究现状

  熔覆材料的性能直接决定熔覆层的性能, 自熔覆技术诞生以来, 熔覆材料的开发一直受到研究人员的重视。熔覆材料按照其添加时存在状态可分为粉末材料、膏状材料、丝状材料和棒状材料等。粉末材料通常配合同步送粉法使用, 是应用最广泛的熔覆材料。目前常见的粉末材料包括自熔性合金粉末、高熵合金粉末、复合材料粉末和陶瓷粉末等。

  1.1 自熔性合金粉末

  自熔性合金粉末是指在Ni、Fe、Co 等基体合金中加入合金化(Si、B 等)元素形成具有低熔点共晶体的一系列合金粉末。Si、B 能降低合金粉末熔点,使其自动脱氧造渣,减少熔覆层中含氧量,提高熔覆层的成型性能。Ti、Al 能形成金属间化合物产生沉淀强化,B、Co 等可实现晶界强化。自熔合金对于基体有很好的适用性, 可以通过添加不同的合金化元素得到系列产品。

  1.1.1 Ni 基自熔合金粉末

  Ni 基自熔性合金粉末价格适中,具有良好的韧性、润湿性、耐磨性、耐蚀性、耐冲击性和耐热性等优点,并且在高温具有自润滑作用,是激光熔覆材料中研究使用最广泛的材料,主要应用于要求局部耐磨、耐腐蚀的构件。王子雷在45 钢表面制备了NiCrBSi 合金涂层。组织分析表明,B、Cr、Ni、C 形成弥散分布的Ni3B、CrB、Cr23C6等强化相, 熔覆层显微硬度为500~650HV0.2。张兴虎等在纯钛表面制备了NiCr涂层。研究发现,涂层与基体为冶金结合,具有细小状树枝晶结构, 主要组成相有NiTi、Ni3Ti、Ni4Ti3、Cr2Ni3、Cr2Ti 相,涂层的平均硬度为780HV0.2,且耐磨性能优异。张伟等采用Ni-Cr-B-Si 粉末在H13压铸模具钢表面制备了激光熔覆层。结果表明,熔覆层由固溶了Fe、Cr、Si、C 等元素的Ni 基固溶体和细小弥散分布的Cr、Fe 等元素的硬质碳化物组成,固溶强化与弥散强化效果显着, 熔覆层平均硬度达到731.9HV0.2。

  1.1.2 Fe 基自熔粉末合金

  Fe 基自熔粉末合金成本低廉、耐磨性好,其熔覆层成分与铸铁、低碳钢等基体合金接近,相容性好,界面结合牢固,常用于钢铁与低碳钢要求局部耐磨的零件。目前Fe 基合金常用的合金元素有C、Si、B、Cr 等。Fe、Cr 等元素可与C、B 等元素反应生成细小的硬质碳化物或硼化物,弥散分布于熔覆层内,提高熔覆层硬度,进而提高其耐磨性能。Nagarathnnam等设计了Fe-Cr-W-C 粉末,成功制备了铁基合金激光熔覆层。研究发现,涂层由细小的初生奥氏体枝晶和奥氏体与M7C3型(M 代表金属元素,下同)的共晶组织组成,维氏显微硬度达到8GPa。张娈等使用晶态与非晶态Fe-B-Si 系合金粉末,在45 钢表面制得激光熔覆层。结果表明,晶态粉末制得的熔覆层由固溶了B 与Si 的α-Fe 组成。非晶粉末制得的熔覆层由α-Fe 和硬质Fe2B 两相构成, 熔覆层组织细小且与基体结合良好。王晓荣等使用钛铁、钒铁、铬铁、石墨和纯铁粉在Q235 表面制备了Fe-Ti-V-Cr-C激光熔覆层。研究发现,石墨与Ti、Cr、V 原位反应生成TiC-VC 和Cr7C3等网状或弥散分布的陶瓷相,提高了熔覆层的硬度及耐磨性,并且适量石墨的添加可以抑制有害相Fe2Ti 生成。

  1.1.3 Co 基合金自熔粉末合金

  Co 基合金具有良好的耐蚀性、耐热性以及抗粘着磨损等性能,常用于石化、电力、冶金等工业领域。常用的合金元素主要有Cr、W、Ni、C、Mo、Si 等,Co、Cr、Mo 等元素可与其他元素形成硬质相,硬质相均匀分布产生强化效果。秦承鹏等采用激光熔覆在沉淀硬化不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH)上制备了Co 基合金涂层,涂层均匀致密,与基体形成冶金结合。研究表明,涂层由初生γ-Co 树枝晶和片层状共晶组织组成,共晶组织中Cr、W 含量较高,起到强化的效果。冯树强等在304L 不锈钢表面制备了Co基熔覆层。结果表明,熔覆层由γ-Co 固溶体、Fe2Mo相及Co7Mo6相组成,Co、W 等难熔元素富集于枝晶干,Cr、Ni 在枝晶间共晶组织中含量较高。张松等在2Cr13 不锈钢表面进行Co 基合金激光熔覆处理。研究发现,熔覆层与基体形成元素扩散带,为细小枝晶与多元共晶组织, 主要由α-Co 过饱和固溶体、CrB、Co3B、M23 (CB)6、M6C 等相组成, 硬度达到1000HV,具有优异的耐高温腐蚀性能。